全 文 ：第 20卷　第 3期 干　旱　区　资　源　与　环　境 Vo l. 20　No. 3
2006 年 5月 Journal o f Arid Land Resources and Environment May. 2006
文章编号:1003- 7578(2006)03 - 184 - 04
不同生境臭柏种群的遗传多样性分析
及其与环境因子的相关性*
红雨1 , 2 , 王林和2 , 梁小荣2
(1.内蒙古师范大学生命科学与技术学院 ,呼和浩特 010022 2. 内蒙古农业大学生态环境学院 ,呼和浩特 010019)
　　提　要:毛乌素沙地臭柏群体是一个生态过渡带 。为了进一步阐明分子变异和基因流与
生境或生态过渡带的联系 ,应用 RAPD标记开展了臭柏群体的分子生态学研究。采用随机扩
增多态性 DNA(RAPD)方法对臭柏(Sabina vulg aris . )的 3 个种群进行了研究.用 11个随机
引物扩增出 129条清晰谱带 ,其中 117 条为多态性谱带。利用 POPGENE3. 2软件对数据进
行处理 ,结果如下:(1) 臭柏有着较丰富的遗传多态性 ,多态位点百分率达 90. 70%,各种群多
态位点百分比在 69. 77 %～ 72. 87 %之间. (2) 臭柏的种群间分化较小G s t = 0. 1872 , 81.
38%的遗传变异存在于种群内 ,各种群的遗传一致度都在 86. 22%. (3)聚类分析显示 ,生境相
近的种群被聚到了一起 ,反映了臭柏种群的遗传分化和生境有着一定的相关性.又利用 Nei , s
指数统计了 RAPD数据 ,也证实了大部分的遗传变异存在于群体之内。臭柏群体内的遗传多
样性与土壤总钾呈显著的负相关。
关键词:毛乌素沙地;生态过渡带;RAPD;臭柏群体
中图分类号:Q16　　　　　　文献标识码:A
RAPD标记在分子生态学中的应用主要集中在研究分类学上的同一属的不同种之间 ,同一种内的不
同亚种之间以及同一种内不同无性系或群体之间分子的遗传变异 ,以及这些分子变异与其生境或生态学
之间的联系[ 1 ～ 2] 。毛乌素沙地是具有特殊地理景观的生态过渡带[ 3] 。臭柏又名叉子圆柏 、沙地柏 ,为柏科
圆柏属常绿匍匐针叶灌木 ,也是鄂尔多斯高原毛乌素沙地唯一的天然常绿灌木[ 4] 多密集成片 ,根系发达 ,
枝叶繁茂 ,耐风蚀沙埋 ,是优良珍稀的常绿固沙和护坡保土树种 ,在恶劣的沙地环境下 ,仍然以高达 70%
～ 95%的覆盖度生存 ,形成占绝对优势的单优群落[ 5] ,越来越受到国内外学者的关注 。
本文利用 RA PD方法对不同生境的臭柏种群进行遗传分化和遗传多样性的研究 。
1　材料和方法
1. 1 实验材料
供试材料采自内蒙古自治区毛乌素沙地(表 1)。从每个样
地中随机采集新鲜植物嫩叶片 ,用液氮固定。回到实验室后 ,将
表 1　材料来源
Tab. 1 O rigin of the materials
序号 种群代号 采集地点 生　　境
1 TD 毛乌素图克 滩地
2 FS 毛乌素图克 覆沙土壤
3 GD 毛乌素北实验地 固定沙地
叶片转入冰箱于 - 80℃下保存 。从每个样地中取 0 - 70cm 土壤 。实验重复 3次。
1. 2 方法
1. 2. 1 基因组 DNA 的提取
从臭柏 3个种群的样品中共抽取 36个个体 ,采用 CTAB 法进行 DNA提取(按邹喻苹等的方法进行),
* 收稿日期:2005- 07- 11。
基金项目:国家自然科学基金项目(30271047)、国家科技部重大基础研究前期研究专向(2004CCA03000)、内蒙古自治区自然科学基
金项目(200408020506)资助。
作者简介:红雨(1969- )女,蒙古族 ,内蒙古人 ,博士生 ,研究方向:水土保持与荒漠化防治 、保护生物学。
通讯作者:E - mail:w linhe@im au. edu. cn
DOI牶牨牥牣牨牫牬牬牳牤j牣cnki牣jal re牣牪牥牥牰牣牥牫牣牥牫牰
根据臭柏的特点略作改动 。纯化后的 DNA 用 0. 7%的琼脂糖凝胶电泳检测含量 ,用 λDNA /EcoRⅠ +
HindⅢ 作为分子量标记 ,把模板 DNA 浓度调至 4ng /μL ,4℃保存待用 。
1. 2. 2 引物的筛选
采用上海生物工程公司的 10碱基引物共 102 个进行筛选 ,选出能够扩增出稳定 、清晰 、具多态性 、可
重复产物的 11个引物(序列略),用于各种群样品的扩增。
1. 2. 3 RAPD扩增及产物检测
经优化实验 ,25μl体系的各反应成分用量分别为:5μl 模板(20ng);2μl25mMM gCl2 ;2. 5μlPCR10×
buf fer;0. 25μl10mM dN TP;0. 2μl(5u /μl)Taq酶;1μl(0. 32μM)引物及 14. 05μl无菌双蒸水 ,每个引物设有
空白对照 ,即以双蒸水代替模板 ,扩增反应在 T1 - BIOMETRA 型 PCR仪上进行。扩增程序为:94℃预变
性 3min ,94℃变性 1min , 37℃退火 1min ,72℃延伸 1. 5min ,进行 45个循环 ,72℃补平 5min ,4℃保温.扩增
产物的检测:扩增产物在 0. 5×TBE(0. 45M Tris -硼酸 ,0. 01mMEDTA , pH8. 0)缓冲系统中 ,用含 EB的
1. 5%琼脂糖凝胶电泳分离 ,稳压 100v2. 5h ,用λDNA /EcoRⅠ +Hind Ⅲ 做为分子量标记 ,用凝胶成像系
统拍照。
1. 2. 4 数据处理
记录电泳后凝胶上清晰可见的扩增条带(包括多次重复的弱带),每一个体的扩增条带以“1”或“0”记
录 ,出现扩增条带的记为“1” ,相应位点无扩增条带的记为“0” ,样品未有扩增带的按缺失处理 ,将此结果形
成矩阵输入计算机 ,采用 POPG EN E3. 2软件计算出臭柏各种群 、各引物的多态位点数(P )及其百分比 ,香
农多样性指数(I*);基因多样度(H ),基因分化系数(G st),基因流(Nm*);各种群遗传一致度(I)和遗传
距离(D);用 UPGMA 法得到臭柏种群聚类分析树状图 。
2　结果与分析
2. 1 RAPD产物的多态性
通过 11个随机引物对臭柏两种不同生殖方式
植株的3个种群 36个个体的 DNA 样品进行 RAPD
分析 ,扩增带清晰且稳定(图 1),每个引物所得位点
数 7 - 18个不等 ,平均每个引物为 11. 7 个。11 个
引物供检测到 129个位点 ,其中多态位点有 117个 ,
多态位点百分率达 90. 7%(表 2)。
2. 2　种群内遗传多样性
臭柏各种群多态位点百分率较高 ,在 69. 77 %
～ 72. 87 %之间 ,除覆沙种群略高外 ,其余两种群较
接近 ,滩地种群略大于固定沙地种群 。香浓多样性
指数的结果相同 ,大小顺序为 SF >TD>GD ,各种
群在 0. 3554 ～ 0. 3956之间 。按 Nei , s基因多样度
计算的结果 ,大小顺序与香浓多样性指数的结果相
同 ,各种群在 0. 2349 ～ 0. 2659之间(表 3)。
2. 3　臭柏种群遗传分化程度和基因流
臭柏 3个种群间的遗传分化(表 4)。由表 4 可
知 ,根据 Nei , s指数 ,3个种群总的遗传多样度为 H t
=0. 3020 , 其中种群内的遗传多样度为H s = 0.
2454 ,种群间的遗传多样度为D st =0. 0566。各种群
间有一定的遗传变异 , 基因分化系数为G s t =0.
1872 ,即种群间的遗传变异占种群总的遗传变异的
18. 72%, 81. 38%的遗传变异存在于各种群内 。根
据臭柏种群间的遗传分化系数计算的基因流Nm*=
2. 1712>1 ,说明臭柏不同生境种群间存在着广泛
图 1 用引物 S142 扩增产生的 RAPD带型
Fig. 1 RAPD bands gener ated by primer S142
图:1- 11为 TD种群 , 12 - 15为 SF 种群 , 16- 22为GD 种群
表 2 引物序列和位点数
Tab. 2 Sequence and lo ci of prime rs
引物 序列 位点数 多态位点数
多态位点
百分率(P ) %
S43 GTCGCCGTCA 13 11 84. 62 %
S45 TGAGCGGACA 8 8 100. 00%
S60 ACCCGGTCAC 7 7 100. 00%
S68 TGGACCGGTG 18 17 94. 44%
S142 GG TGCGGGAA 12 8 66. 67%
S148 TCACCACGGT 16 16 100. 00%
S150 CACCAGGTGA 11 10 90. 91%
S282 CA TCGCCGCA 14 13 92. 86%
S297 GACG TGG TGA 7 6 85. 71%
S450 TCAGAGCGCC 14 14 100. 00%
S452 CAGT GCTGTG 9 7 77. 78%
表 3 臭柏种群 RAPD 分析的遗传多态性
Tab. 3 RAPD polym orphism of populat ions of Sabina vu lgari s
种群 样本数 位点数 多态位点数
多态位点
百分率(p)
香农多样性
指数(I *)
Neis 基因
多样度(H)
D T 12 129 90 69. 77 % 0. 3558 0. 2356
SM 12 129 94 72. 87 % 0. 3956 0. 2659
GD 12 129 89 68. 99 % 0. 3554 0. 2349
物种水平 36 129 117 90. 70% 0. 4534 0. 3018
185 第 3期 红雨等　不同生境臭柏种群的遗传多样性分析及其与环境因子的相关性
的基因流 。
2. 4　种群间的遗传一致度和遗传距离
臭柏各种群的遗传距离较小 ,其中固定沙地
和沙覆种群的遗传距离较小D =0. 0806 ,滩地种
群与固定沙地种群之间的遗传距离最大D =0.
1483 。从遗传一致度看 ,各种群的遗传一致度很
高(0. 8622 ～ 0. 9226),尤其是固定沙地种群与沙
覆种群的遗传一致度最高为 0. 9226 ,固定沙地种
群与滩地种群的遗传一致度相对最低为 0. 8622。
从数据可反映出连续分布种群间有较小的遗传分
化特点(表 5)。
聚类分析(图 2)显示 ,沙覆种群与固定沙地
种群首先被聚到一起 ,它们再与滩地种群聚到一
起。这表明臭柏种群的遗传分化与生境有一定的
关系 。
表 4 臭柏 3 个种群间的遗传分化(由 Nei , s 指数估计)
Tab. 4 Genetic differentiations among 3popula tions of
Sabina vulg ar s estimated by Nei index
引　物 总的基因多样性(H t)
种群内的基因
多样性(Hs)
种群间遗传
分化(G st)
基因流
(Nm*)
S43 0. 2568 0. 2019 0. 2136 1. 8409
S45 0. 3924 0. 3021 0. 2301 1. 6731
S60 0. 4074 0. 3557 0. 1269 3. 4413
S68 0. 3713 0. 3382 0. 0891 5. 1101
S142 0. 2036 0. 1650 0. 1897 2. 1357
S148 0. 3625 0. 2749 0. 2416 1. 5694
S150 0. 2581 0. 2200 0. 1479 2. 8808
S282 0. 2935 0. 2133 0. 2734 1. 3290
S297 0. 2092 0. 1964 0. 0611 7. 6810
S450 0. 3701 0. 2811 0. 2406 1. 5780
S452 0. 1226 0. 1055 0. 1399 3. 0750
平均 0. 3020 0. 2454 0. 1872 2. 1712
标准偏差 0. 0231 0. 0214 0. 0326 0. 9854
2. 5　臭柏群体遗传多样性与生态因子的相关性
表 5 臭柏种群遗传一致度(I)与遗传距离(D)
Tab. 5 Genetic identi ty and distance of
populat ions of S abina vulgaris
pop ID 1 2 3
1 **** 0. 8791 0. 8622
2 0. 1289 **** 0. 9226
3 0. 1483 0. 0806 ****
　　注:上三角是遗传一致度 ,下三角是遗传距离
表 6 不同生境臭柏群落的土壤养分含量和C /N比的变化
Tab. 6 Th e soil nut rit ion conten ts and C /N of Sabina vulgaris communit ies
生境 C含量(%)
N含量
(%)
K 含量
(%)
P 含量
(%) C /N
1 1. 7629±0. 2006ab 0. 3537±0. 0559a 28. 9276±4. 0099b 3. 0476±0. 475a 4. 984227
2 1. 6091±0. 0891b 0. 1663±0. 0487c 21. 0747±3. 926c 2. 7593±0. 2054a 9. 676605
3 1. 7814±0. 1082a 0. 2101±0. 0692b 29. 0282±4. 806a 2. 9633±0. 3096a 8. 480333
同一列字母不同者差异显著(P 小于 0. 05).
表 7　3 个臭柏群落内的遗传多样性与各生态因子的相关性
Tab. 7 Correlat ion of the genet ic diversiti es among 3
popu lation s of S abina vulgaris an d the ecological factors
生态因子变量 信息指数估算的遗传多样性
Nei , s指数估算的
遗传多样性
C含量(%) - 0. 994 - 0. 993
N 含量(%) - 0. 687 - 0. 695
K 含量(%) - 1. 000* - 1. 000*
P含量(%) - 0. 961 - 0. 964
C /N 0. 703 0. 711
* Correlation is signif icant at th e 0. 05 level(2- tailed)
图 2 臭柏聚类图
Fig . 2 Dendiog ram o f Sabina vulga ris
3 讨论
本次研究所选的3个臭柏种群 ,是根据臭柏的生境不同选取的。11个引物检测到 129个位点 ,且多态位
点百分率高达 90. 70%,反映出臭柏有高的遗传多态性 。除沙覆种群略高外 ,其余两种群较接近 ,滩地种群略
大于固定沙地种群。不过多态位点百分率对遗传多样性只是一个粗略的估计 ,它不能够确定各条带在频率上
的均匀程度 ,且受到样本大小 、条带多少 、筛选的引物及筛选方法的影响。在检测各臭柏种群时与香农多样性
指数和Nei, s基因多样度的结果有较大不同 ,这种情况下 ,基于条带表型频率的香农多样性指数和基于 Hardy
- Weinberg假设的Nei , s基因多样性指数可以得到更为可信的衡量指标[ 7] 。用香农多样性指数对臭柏 3个
种群的遗传多样性进行评价时 , 大小顺序为沙覆种群>滩地种群>固定沙地种群 ,各种群在 0. 3554 ～ 0.
3956之间。按Nei , s基因多样度计算的结果 ,大小顺序与香浓多样性指数的结果相同 ,两者的结果一致。均
以沙覆种群为最高 , 这些群体的生境是有一定梯度的 ,固定沙地地下水位较深 ,沙覆土壤由固定沙地经覆沙
后形成 ,覆沙能够防止水分蒸发利于植物生长 ,滩地地下水位较高(2 ～ 5m),水分条件较好[ 8] 。聚类分析显
示 ,固定沙地与沙覆种群聚到一起 ,反映出它们之间较近的亲缘关系。滩地种群与固定沙地种群的遗传距离
最大 0. 1483 ,遗传距离最小的为沙覆种群与固定沙地种群 0. 0806(表 4),说明地理环境的差异没有造成种群
186 干　旱　区　资　源　与　环　境 第 20卷
间较大的遗传分化。葛颂认为在种群水平上 ,影响遗传变异大小的因素中 ,繁育系统和分布范围是重要性处
于前两位的因素 ,且根据 Hamrick ,Godt(1990)的研究 ,异交风媒植物的Gs t为 0. 099[ 9] 。臭柏是风媒植物 ,分
布在毛乌素的沙漠中内的臭柏呈大面积连续分布 ,G st =0. 1872 ,Nm*=2. 1712>1 ,说明种群间存在广泛的
基因交流 ,防止了由于遗传漂变导致的种群间的遗传分化。
遗传相似性与环境因子的相关性统计分析显示了 3个臭柏群体的遗传多样性与土壤 C /N 比呈正相关 ,
与土壤总 C 、总N 、总P 呈负相关 ,尤其与总K含量呈显著的负相关 ,即土壤总钾含量越低 ,群体的遗传多样性
越大 ,表明钾的富集在臭柏群体遗传多样性方面可能起着一定的作用 ,对这个问题还有待于进一步研究 。
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Analysis on the Genetic Diversity of
Sabina Vulgaris at Different Habitats and
the Influence of the Environmental Factors
HONG Yu1 , 2 , WANG lin - he2 , LIANG Xiao - rong2
(1. Li fe S cience and Technology College of Inner M ongolia Normal University , H uhhot 010022;
2. Ecology and En vi ronmen t College of Inner M ongolia Agricu ltural Universi ty , H uhh ot 010019 , China)
Abstract:To reveal the relationship between molecular variation , gene f low and the habi tats , RAPD markers
were used to study the molecular ecolo gy o f Sabina vulgaris . Three populations o f Sabina vulg aris col-
lected f rom na ture areal w ere analy zed using random amplif ied polymorphic DN A(RAPD). 129 bands
were amplified by 11 prime rs in w hich 117 bands belonged to polymorphic bands. The data w ere ana-
ly zed by the POPGEN E3. 2 sof tw are. The resul ts show ed that:(1)The gene tic polymo rphism of Sabina
vulgaris w as high. In species level , the percentage of polymorphic loci w as 90. 70%. The percentages of
po lymo rphic loci of populat ions varied f rom 69. 77% to 72. 87%. (2)The genetic dif ferentiation among
populations w as small , G st =0. 1872 ,81. 38% of variations existed w ithin the populations , the gene tic i-
dent ity of different populations w as higher than 86. 22%. (3)The cluster analysis demonst rated that the
populations w ith near geo - g raphical dist ribution w ere clustered to gether. It indicated that there ex isted
the cor relations betw een genetic different iation and geog raphic distance in Sabina vulg aris populations.
The correlation analysis show ed that the genet ic dive rsity wi thin popula tions w as signif icantly negative
related wi th the soi l to tal k.
Keywords:Maowusu sandy land;ecotone;RAPD;Sabina vulg aris ;population
187 第 3期 红雨等　不同生境臭柏种群的遗传多样性分析及其与环境因子的相关性